Una proprietà notevole delle forze di attrito è che resistono al movimento (al contrario di altri tipi di forze, che potrebbero resistere allo spostamento, ad esempio, che è il modo in cui si comporta una molla).Di conseguenza, i freni della tua auto rallentano il movimento delle ruote che produce il movimento in avanti della tua auto, ma rallentano anche il movimento che produce il movimento inverso.

Se invece utilizzassi un altro tipo di sistema di applicazione della forza per rallentare la tua auto (ad esempio, una molla gigante), la tua auto rallenterebbe, poi si fermerebbe e inizierebbe a muoversi all'indietro.

Le auto si muovono perché le ruote girano in una certa direzione.I freni funzionano facendo sì che le ruote non slittino, non facendole girare nella direzione opposta.

Se invece di premere i freni "frena" un'auto esercitando un altro tipo di forza che la spinge all'indietro, come un grandissimo fan di fronte, allora sì, potrebbe iniziare a muoversi all'indietro.

Friction come perdita di energia anziché forza

Due oggetti che si muovono l'uno rispetto all'altro hanno un'energia cinetica relativa proporzionale alla velocità con cui si muovono e alla rotazione che subiscono.

Quando le superfici di questi oggetti vengono premute insieme, si verifica l'attrito. Questo attrito è solo un processo attraverso il quale questa energia cinetica relativa si trasforma in energia termica, provocando un aumento di temperatura in entrambi gli oggetti, e "energia sonora" (lo stridio metallico che a volte si sente in frenata), ma quest'ultima parte è trascurabile .

Applicando questo alle ruote di un'auto e ai suoi freni, vediamo che i freni e le ruote non hanno velocità relativa ma, mentre le ruote ruotano, i freni non si muovono, poiché sono fissati all'auto. Questa rotazione si verifica solo quando l'auto sta avanzando.

Quando premi il pedale del freno, il sistema della tua auto preme i freni contro la superficie frenante delle ruote, creando attrito e dissipando l'energia cinetica delle ruote, che a sua volta rallenta l'auto. Come sottolinea @senderle nel suo commento, parte dell'energia dissipata può essere riutilizzata nelle auto, ad es. ricarica delle batterie. Questo accade fino a quando non c'è più movimento relativo tra le ruote e i freni.

Ciò significa una delle due cose:

1. L'auto si è fermata e le ruote sono ferme. Niente più movimento relativo, quindi niente più energia da dissipare. L'auto non può tornare indietro perché l'auto non ha energia (movimento significa energia cinetica, e l'auto non ne ha nessuna), e per farla muovere devi fornirle energia, non portarla via (nella meccanica classica non puoi averla energia cinetica negativa, quindi 0 è lo stato di energia più bassa)

2. L'auto sta sbandando (vedi il commento di @Eric Lippert).Ciò significa che l'energia si dissipa solo nell'attrito tra la gomma delle ruote e il suolo.Il tasso di dissipazione in questo caso è incredibilmente inferiore a quello della normale frenata.Questo è il motivo per cui l'ABS è implementato nei veicoli moderni.

Note: Nel mio paese, quando le ruote smettono di ruotare ma scivolano sul terreno si chiama "bloccaggio delle ruote".Non so come si chiama in inglese, quindi se qualcuno lo sa per favore fatemelo sapere così posso correggerlo se necessario.

L'auto non continua a muoversi all'indietro perché la forza all'indietro esiste solo mentre c'è movimento relativo tra i freni e le ruote (la forza di attrito cinetico).Non appena questo movimento si ferma, la forza cessa bruscamente di esistere.

Quindi, se la forza persiste, hai ragione a pensare che avrebbe rallentato la macchina fino a fermarsi, e poi continuerebbe ad accelerarla all'indietro.Ma questa forza non è una variabile indipendente: dipende dal moto stesso.L'auto si ferma, la forza si ferma e la risultante non è più negativa.

Per renderlo più "comprensibile", considera i freni che impediscono completamente alle ruote di girare.In questo caso, l'auto con le ruote bloccate funziona più come un mattone. Perché un mattone (o una slitta o qualsiasi altra cosa) non inizia a muoversi all'indietro?Perché le forze di attrito si applicano solo alle superfici in movimento.

Quando hai problemi a comprendere un sistema complesso (come la frenata di un'auto), prova a semplificarli: il sistema di frenatura di un'auto e le sue ruote non aggiungono nulla al problema o alla soluzione.

L'attrito è solo una semplice scorciatoia per descrivere una serie di collisioni microscopiche tra particelle sulle due superfici.

Quando la ruota gira, i dossi sulla sua superficie entrano in collisione con i dossi sulla pastiglia del freno.

Quando la ruota si ferma, non entrano più in collisione, perché non si muovono l'una rispetto all'altra.

È come se fossi in piedi in un forte vento. Il vento spingerà contro di te e ti accelererà nella direzione del vento.Una volta che ti muovi alla stessa velocità del vento, non ti applica più alcuna forza, perché sei a riposo rispetto al vento.

Quando applichi i freni sappiamo tutti che producono una forza netta all'indietro, quindi sappiamo tutti che la forza risultante agisce all'indietro. Ma quando la forza risultante agisce all'indietro, non significa che l'oggetto debba viaggiare all'indietro.

Nell'istante in cui vengono applicati i freni, l'oggetto ha una certa velocità, prendiamola come $ V_1 $ che è positivo, supponendo che l'auto si muova all'indietro in stesso istante, il che significa che dovrebbe avere un $ V_2 $ che è negativo. (Nota che: la velocità è un vettore, quindi la direzione è davvero importante.) Questa situazione fa sì che l'oggetto abbia una decelerazione infinita, considerando che la forza risultante rimane costante.

1. La decelerazione non può mai essere infinita.
2. Una volta che l'oggetto ha una velocità, non viaggerà mai all'indietro, perché l'attrito è una forza opposta quando c'è movimento. Ora non c'è movimento, quindi nessun attrito. Pertanto nessuna forza risultante risultante in nessun movimento.

Normalmente un grafico per la velocità in frenata è così.

Quando dici che l'accelerazione causata dalla frenata di un'auto è "negativa", ciò che intendi veramente è che la sua direzione è opposta a quella del movimento.

Se, in un certo caso, modifichi matematicamente il movimento all'indietro come "movimento negativo", allora in quel caso dovresti effettivamente dire che l'accelerazione causata dalla frenata è positive. È di segno opposto al movimento.

Tuttavia, modellare il movimento e l'accelerazione utilizzando scalari positivi o negativi funziona solo se sei interessato solo a una dimensione. Più in generale, puoi modellarli come vettori, che non sono mai "negativi". Questi vettori hanno sempre una magnitudine positiva, ma le loro direzioni sono diverse.

Insomma, la colpa nel tuo ragionamento è causata dal confondersi su come interpretare la parola "negativo", e da quale punto di vista una quantità può essere considerata "negativa" o "positiva". Stai fondendo il "negativo" in "movimento negativo" e "accelerazione negativa", ma queste due espressioni implicano una diversa "direzione di riferimento" che viene trattata come "positiva".

È utile pensarlo in termini di energia.

Ciò che fanno i freni è convertire parte dell'energia cinetica di rotazione delle ruote in energia termica riscaldando per attrito le pinze dei freni.

Questo è il motivo per cui gran parte del design delle pinze si concentra sulla ventilazione e sul raffreddamento dell'hardware.In poche parole, il motivo per cui l'auto non si muove all'indietro è che una volta che il veicolo è fermo, non c'è più energia cinetica nel sistema ei freni non hanno alcun meccanismo per convertire il calore in rotazione.

I freni vengono applicati per impedire alle ruote di girare gradualmente, sia in avanti che all'indietro.Dobbiamo visualizzare tutti gli stati di movimento come istanze o istantanee separate.Quando un'auto si muove in avanti, i freni cercano di decelerare e di fermare l'auto che si muove in avanti.Non appena la vettura entra nello stato di arretramento, i freni cercheranno di smettere di arretrare anche lei, decelerazione nell'altra direzione.

Quando l'auto è a velocità zero, i freni non sono realmente necessari, a meno che un'altra forza (vento / motore / collisione / manuale) non stia cercando di spingerla avanti o indietro.

L'accelerazione ha una direzione, ma la sua direzione è not necessariamente la direzione del movimento.È la velocità con cui la velocità aumenta / diminuisce.La direzione del movimento è la direzione di velocity.

Perché l'auto non continua ad accelerare all'indietro mentre i freni sono applicati

Accelera all'indietro, ma ancora una volta, se sta accelerando all'indietro non deve essere moving all'indietro.È la forza risultante che agisce nella direzione all'indietro, provocando la diminuzione della velocità.

Tecnicamente, stai facendo in modo che il tuo sistema wheels interagisca con il sistema brakes.La causalità è il risultato dell'interazione.Quindi, quando il sistema brakes provoca un'azione, il sistema wheels dovrebbe reagire (controllare la parola: reazione).

I freni generano attrito, e l'attrito è sempre opposto al movimento, proprio perché generano una reazione causale durante l'interazione sistemica. Ciò significa che se applichi i freni mentre sali su una montagna, l'auto smetterà di andare avanti.Ma quando la gravità è più forte della forza del motore, l'auto non andrà indietro, perché anche i freni si opporranno al movimento in tale direzione.

Prima di tutto, benvenuto a bordo! Penso che dopo tutte queste risposte ti debba essere abbastanza chiaro ora cosa succede quando un'auto frena e si ferma completamente senza tornare indietro successivamente. Ma non posso lasciar passare l'occasione per aggiungere un'altra risposta.

Sono abbastanza sicuro che tu sia d'accordo sul fatto che quando un libro si muove su una superficie orizzontale il libro si fermerà completamente dopo un po 'di tempo (a seconda di quanto è grande l'attrito tra i due o, più tecnicamente, di quanto è grande il coefficiente di attrito è) senza invertire il suo movimento dopo l'arresto. Tutta l'energia cinetica del libro è scomparsa (principalmente convertita in calore) e non è rimasta più forza per far accelerare nuovamente il libro. Cioè, se assumiamo che non ci sia altra forza oltre alla forza di attrito che agisce sul libro, ecco perché il tavolo deve essere orizzontale perché altrimenti una componente della gravità fa presa sul libro.

Sebbene non sia direttamente visibile (il che potrebbe aver causato la confusione), l'auto si ferma come conseguenza dello stesso processo con cui il libro si ferma (il che è ovvio). La forza di attrito tra i blocchi dei freni e i dischi dei freni fa rallentare l'auto. Questo è abbastanza strano chiamato frenata per attrito statico. Scrivo "abbastanza strano" perché l'attrito statico da solo non può muovere nulla ma questo attrito statico fa sì che le ruote possano continuare a ruotare senza muoversi rispetto alla strada e quindi l'attrito "cinetico" può fare il suo lavoro e fermare la cura .

Se l'attrito tra i blocchi dei freni ei dischi dei freni diventa troppo grande le ruote smetteranno di ruotare e la strada diventa per così dire il blocco di rottura (credo che tu possa capire perché in questo caso l'auto non invertirà il suo moto , come nel caso del libro in movimento sul tavolo). Questa si chiama frenata per attrito cinetico e la frenata per attrito statico viene chiamata proprio così per fare una distinzione tra i due tipi di frenata (di cui i meccanismi sottostanti sono gli stessi). Perché la distanza per fermare un'auto diventa più lunga (if si può mantenere l'auto in movimento diritta) in caso di frenata per attrito cinetico, e l'auto diventerà molto più difficile da controllare (se non può mantenere il controllo, la distanza per fermarsi probabilmente si accorcia, ma ...) il sistema ABS trova posto nella maggior parte delle auto moderne.

Ho letto in uno dei commenti che dopo lo stop sembra che l'auto si muova un po 'indietro. Questo effetto è spiegato molto bene in questa domanda.

Non sono sicuro del motivo per cui così tante persone iniziano le loro risposte parlando di attrito e perdita di energia mentre la domanda riguarda la matematica, e la matematica molto semplice. Sì, è vero che $ F = m * a $ e in caso di frenata (decelerazione) $ a $ è negativo. Ma stai chiedendo specificamente perché l'auto non si muove all'indietro. Andare indietro in termini di cinematica significa avere una velocità negativa $ V $ .

Ora ricordiamo che velocità e accelerazione sono collegate tramite il tempo $ t $ . Questa è l'equazione della velocità della nostra macchina in un certo momento $ t $ durante la sua decelerazione:

$ V = V_0 + a * t $

dove $ V_0 $ è la velocità iniziale dell'auto (ad esempio, un grande numero positivo) e $ a $ è l'accelerazione negativa. Come puoi vedere, col passare del tempo, la velocità diminuirà poiché $ a $ è negativo e così è $ a * t $ . Ma proprio quando la velocità iniziale $ V_0 $ si esaurisce e $ V $ raggiunge lo zero, l'accelerazione della frenata Anche $ a $ diventa zero, incapace di influenzare ulteriormente $ V $ e renderlo negativo. Spinge l'auto all'indietro solo mentre l'auto si muove in avanti e non un secondo di più.